太阳能界面水蒸发技术因成本效益高、节能环保，在海水淡化、污水净化等领域具有广阔的应用前景，在学术界和工业界掀起了研发热潮。作为太阳能界面水蒸发技术的核心组件，光热转化材料的作用主要集中于光能吸收、水分传输、热能管理和水分蒸发四个方面。在多孔基材（如海绵，纺织品等）上涂覆兼具吸光和光热转化能力的纳米材料是目前制备光热转换材料的主流策略之一。尽管现有研究所报道的光热转换材料均实现了较高的光热转化效率和水蒸发速率，但仍存在如下挑战：1）大部分光热转换材料不能够自漂浮于水面，往往需借助泡沫等作为支撑体；2）光热转化材料与多孔基材的结合牢度和耐久性很少受到关注；3）在水蒸发过程中，大部分光热转换材料的水分传输速率和水分蒸发速率不可控，易造成热量流失，降低蒸发效率；4）现存的光热转换材料制备工艺繁杂，成本高昂、难以规模化生产，严重阻碍了它们的实际应用。

  近日，东华大学纺织学院黄晨副教授课题组在先前定向导水非织造材料（ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 19679?19685, ACS Macro Lett. 2018, 7, 1192?1197）的研究基础上，首次将定向导水非织造材料与界面光热转化材料相结合，开发了一种基于多壁碳纳米管（MWCNT）的定向导水非织造光热转化材料，制备工艺路线如图1所示。

图1. 定向导水非织造光热转化材料的制备流程示意图

  作者分别选用了亲水和疏水的聚丙烯/聚乙烯 （PP/PE）皮芯纤维，经非织造梳理成网和针刺加固工艺后，纤维在横向和纵向上相互缠结，最终在材料厚度方向上形成了亲水-疏水纤维的梯度分布（润湿梯度），从而赋予材料定向导水功能。而后，选用了羧基化的MWCNT作为吸光剂和光热转换剂，经喷涂和高温“焊接”处理，增强了MWCNT在非织造材料表面的结合牢度（图2），保障了实际应用过程中的安全性和光热转化稳定性。

图2. 定向导水非织造光热转化材料的表征

  进一步地，作者论证了该非织造光热转化材料的定向导水特性及机制。如图3所示，液体在材料润湿梯度的作用下，通过其内部通孔以及亲水纤维导流渗透至另一面，同时当液体穿透到达亲水面时快速扩散，进一步加快了液体从疏水面到亲水面的渗透效果。而当亲水面朝上时，液体一旦接触到亲水面时，在亲水纤维的作用下扩散到整个表面，致使无法累积足够的高度克服疏水面的耐静水压，因而不会由亲水面到疏水面的穿透。在太阳能水蒸发应用中，作者将该定向导水非织造材料放置于液体上时，内部润湿梯度驱动下产生的差动毛细效应可以使得液体从疏水底面被抽吸至亲水表面，水分以一定速率源源不断地传输至光热转化表面，用于界面水蒸发。

图3. 非织造光热转化材料的定向导水特性及其水蒸发示意图

  同时，研究人员通过调节该定向导水非织造光热转化材料中亲水纤维和疏水纤维的比例调控水分传输速率和水分蒸发速率的最佳匹配，有效提高了热能的利用效率，在模拟水蒸发实验中实现了较高的光热转化效率（图4）。

图4. 定向导水非织造光热转化材料的模拟水蒸发表征

  该光热转化材料所采用的原材料成本低廉，PP/PE纤维（市场价格约3.2 USD/kg）和MWCNT（300 USD/kg）均已商业化，尽管MWCNT的价格相对昂贵，但其使用量仅为整体材料的5.14 wt%。同时，制备该材料所涉及的方法，包括梳理、针刺和溶液涂层（以纯乙醇为溶剂）均已工业化，总加工成本在0.2 USD/m²以下，而整体材料的生产成本仅约2.4 USD/m²，相比于绝大多数现有的光热转换材料更具成本优势和规模化生产的可行性。另外，由于PP（0.91 g/cm³）和PE （0.91 g/cm³）的密度均小于水，材料整体密度也比水小，保证其始终能漂浮于水面上，且保持了较高的强度、柔韧性以及优良的应用性能（图5）。

图5. 定向导水非织造光热转化材料的室外水蒸发应用和规模生产

  综上，作者开发了一种定向导水的光热转化非织造材料。其密度比水低，可永久漂浮于水面，且能够匹配水分传输速率与蒸发速率，获得更高的光热转化效率。以上研究成果以“Low-Cost, Unsinkable, and Highly Efficient Solar Evaporators Based on Coating MWCNTs on Nonwovens with Unidirectional Water-Transfer”为题发表在Advanced Science杂志上，论文的第一作者为东华大学纺织学院硕士研究生朱雅琴，通讯作者为江南大学李昊轩研究员、海军军医大学高瑞副主任医师和东华大学黄晨副教授。

  论文链接：http://doi.org/10.1002/advs.202101727